基于ADS1298和STM32F407的心電采集與顯示系統設計

摘 要： 提出一種以ADS1298芯片及STM32F407為基礎的心電采集與顯示系統設計思路。在介紹心電信號采集基本原理的基礎上，構建系統的總體框架，闡述基于ADS1298的信號采集、放大電路以及STM32F407接口電路設計，最后應用 μC/GUI實現了心電信號在LCD液晶屏上的實時顯示。結果表明，該系統為疾病診斷和健康監護中能應用的高精度、便攜式、低功耗心電信號采集分析系統奠定了很好的基礎。

關鍵詞： 心電信號采集； ADS1298芯片； STM32F407； μC/GUI

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）13?0141?04

Abstract：The electrocardiogram （ECG） acquisition and display system based on ADS1298 chip and STM32F407 platform is proposed. The overall framework of this system was built on the basis of introducing ECG signal acquisition fundamental. The circuits of signal acquisition and amplification based on ADS1298， and the interface circuit design of STM32F407 are discussed. The real?time display of ECG signal on LCD is realized by using μC/GUI. This research establishes a good foundation for applying high precision， portable and low?power consumption ECG acquisition analysis system in disease diagnosis and health surveillance.

Keywords： ECG signal acquisition； ADS1298 chip； STM32F407； μC/GUI

0 引 言

心電信號屬于生物電信號，它是心臟無數心肌細胞電活動的綜合反映，其中包含了大量的生理和病理信息。通過對心電信號的研究，可以對心血管疾病的診斷、治療提供有效的輔助分析手段[1]。其在臨床醫學和認知科學領域具有重要的科學意義。心電信號具有以下幾個主要特點：隨機性較強，即信號無法用確定的函數式來描述；噪聲背景強，預測的有用信號往往淹沒在許多無用信號中；信號頻率低。心電信號頻率較低，大量的是直流成分，去掉直流，它的主要頻率范圍是0.05～100 Hz，大部分能量集中在0.05～40 Hz。

一般心電采集系統主要包括信號放大與調理、模/數轉換、信號處理與傳輸等。由于信號的微弱性和干擾的復雜性，信號放大與調理的電路比較復雜，導致體積大、功耗高[2]。由TI公司研發的ADS1298高精度A/D轉換芯片將信號的濾波及陷波等處理轉移到數字端，并且集成了大部分生物電采集功能，實現了便攜式心電信號的采集[3]。本文利用該芯片的高精度性能，以STM32F407為主控芯片，設計一個高集成度的便攜式心電采集顯示系統。

1 系統原理與架構

1.1 系統原理

圖1為心電采集原理圖。根據國際標準，在人體上放置10個電極，分別是4個肢體電極：LA（左臂）、RA（右臂）、LL（左腿）、RL（右腿）和6個胸部電極：V1～V6。計算兩肢體間的電位差，進而得到3個雙極肢體導聯Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ。由于等邊三角形的中心為心臟，并與三角形在同一平面上，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ導聯能很好地反應心臟額面的運動狀況，但它不能記錄單個電極處的電位變化。為了探測心臟某一局部區域電位變化，Wilson提出了單極胸導聯的連接方式[4]，將探查電極V1～V6安放在靠近心臟的胸壁上，參考電極置于Wilson中心電端（WCT），分別計算V1～V6與WCT之間的電位差，來反映心臟局部電位的變化。[R]為平衡電阻，平衡三個肢體端與心臟間的電阻，阻值在5～300 kΩ之間。RLD為右腿驅動，是抑制電源及其他共模干擾的一種方式[5]，其本質上是一個負反饋，實現方法是將人體的共模干擾信號取出，并反向放大后施加到人體端。

1.2 系統架構

本采集系統支持8通道心電信號的采集，包括6通道胸導聯信號。用于反映心臟水平面情況和2通道雙極肢體導聯信號用于反映心臟額面狀況。為實現高精度、高可靠性的心電信號采集，在預處理電路之后，采用ADS1298作為模擬采集前端并實現模/數轉換，應用STM32F407平臺實現心電信號在在LCD液晶屏上的實時顯示，支持SD卡存儲并預留數據通信接口。系統架構如圖2所示。

2 硬件設計

2.1 心電信號采集模塊設計

心電信號采集模塊主要包括心電信號的采集，放大和模/數轉換等過程，具體結構如圖3所示。

信號的預處理電路為一個二階濾波電路，用于限幅和濾除高頻電磁波。信號進入ADS1298后，通過一個電磁干擾濾波器（EMI Filter）來有效抑制電網噪聲，提高電子設備的抗干擾能力及系統的可靠性。本芯片中EMI濾波器帶寬為3 MHz。

ADS1298為每一路信號都提供了一個輸入復用器（MUX）。除將輸入信號傳遞給放大器這一基本功能外，大部分功能用于對重要設備和子系統進行故障診斷、校準和配置。具體功能有：測量內部噪聲，提供測試信號，測量芯片溫度，測量供電電壓，測量導聯脫落信號和測量右腿驅動信號[6]。

信號從輸入復用器進入PGA，ADS1298芯片有8個可編程的運算放大器，實際為差分放大器。由于芯片是24位高精度A/D轉換器，在參考電壓[VREF=]2.4 V時，分辨率可以達到0.023 8 μV，考慮到心電信號的典型值為1 mV，故放大增益設為1即可進行信號的放大。

模/數轉換器最重要的參數是轉換精度與轉換速率，為了獲得較高的頻率分辨率，在每一路通道上使用了24位Σ?Δ調制器，它利用反饋環來提高粗糙量化器的有效分辨率并整形其量化噪聲，使信號帶寬內的噪聲大大減小，而放大了信號帶寬外的噪聲。相當于將噪聲能量從低頻段推到了高頻段，而對信號本身不起整形作用。此外，ADS1298芯片使用數字抽取濾波器來去除調制后產生的高頻噪聲，該濾波器由一個三階的sinc濾波器構成，是可變采樣速率的低通濾波器。

2.2 信號處理、顯示及存儲模塊設計

該模塊以STM32F407為控制和處理的核心，其內部資源完全滿足心電采集系統的需求，圖4為信號處理、顯示及存儲模塊結構圖。

STM32F407通過SPI接口讀取ADS1298處理轉換的數字信號，將其處理后進行儲存和顯示。存儲部分選用SD卡，高度集成閃存，具備串行和隨機存取能力。SD卡的接口可以支持兩種操作模式：SD卡模式和SPI模式。為了簡化主機的設計，使用SPI的傳輸模式，該模式的不足之處是喪失了速度性能。顯示部分選用ALIENTEK提供的240×320 TFT顯示屏，它的驅動芯片選擇ILI9328，主要以列為單位控制屏幕的點亮和刷新，以行為單位控制灰度。所有的數據存在GRAM（Graphics RAM）中以減少數據傳輸工作，只有必須更新的數據才被傳送。門驅動有320個，與列數相同，所送出的波形可以依次將每一行的TFT打開。源驅動有720個，每3個控制1個點的灰度。門驅動與源驅動相配合，即在屏幕上生成了不同顏色的點和圖像。

3 軟件設計

根據系統功能要求，將基于主控STM32F407芯片的軟件功能設計分為：SPI功能模塊、μC/GUI功能模塊以及SD功能模塊。

3.1 SPI功能模塊

SPI接口作為基于ADS1298前置放大電路與基于STM32F407數字信號處理模塊的傳輸媒介，是至關重要的環節。ADS1298芯片提供了兩種讀數據的模式[7]。一種為RDATAC模式，即連續讀數據模式，在該模式下，芯片會按照預先設定的速率不停地采集并轉換數據，直到系統收到STOP命令或SDATAC命令。該模式為默認模式，如果需要進入別的模式，比如RREG讀寄存器模式，必須首先使用SDATAC命令退出連續讀數據模式，否則命令無效。第二種為RDATC模式，即命令讀數據模式。在此模式下，每發送一個RDATC命令，系統轉換一次數據。一般用于經常變動寄存器設置的場合，為了方便計算和控制數據個數，本系統采用第二模式。ADS1298芯片有26個寄存器，需要使用RREG和WREG命令來配置諸如轉換速率、復用器功能、SPI模式和右腿驅動等功能。圖5給出了本系統中SPI的時序。

如圖5所示，片選信號變為低電平后，首先要發送SDATAC命令，接著使用RREG和WREG命令查看和修改寄存器配置。完成后，使START變為高電平，開始轉化數據，系統每完成一次數據轉換，會發出一個DRDT信號，將該信號作為中斷，在中斷中發送RDATA命令，取回當前數據，并做一定的處理。

3.2 μC/GUI功能模塊

使用的TFT?LCD利用薄膜晶體管（TFT）產生電壓來控制液晶分子轉向。μC/GUI的所有命令其實是對驅動芯片寄存器的讀/寫操作，通過寫入多個寄存器的值來控制特定像素點的顏色，形成需要的圖像[8]。

μC/GUI將最底層的讀寫寄存器的函數封裝起來，形成畫點、畫線和畫矩形等底層驅動函數。在此基礎上，對驅動函數做二次封裝，形成適合μC/GUI的核心函數。對于復雜任務，μC/GUI設計了一套基于消息的機制，即所有操作是通過發消息方式實現。為了方便用戶使用，μC/GUI定義了視窗（類似于Windows的窗口）的概念，并設計了一些窗口控件。在本系統中使用了TEXT、BUTTON和GRAPH窗口控件，其中TEXT控件用于顯示特定文字，BUTTON組件及相應的回調函數實現不同通道間數據的切換，GRAPH組件用于繪制圖形及圖形坐標。

μC/GUI是應用消息驅動的，以BUTTON組件為例。觀察BUTTON_Create→ BUTTON_CreateEx中的WM_CreateWindowAsChild、WIDGET__Init等函數，并沒有對LCD屏的操作，大部分是對參數的記錄及賦值。這些函數并不涉及操作，只是將要做的事情以消息的形式發送，稱為μC/GUI消息的收集機制，通過該機制，μC/GUI“明白”要做什么。真正的顯示是在GUI_Exec函數中，GUI_Exec（）→GUI_Exec1（）→WM_Exec（）→WM_Exec1（）→_DrawNext（）→_Paint（）→WM__PaintWinAndOverlays（）→_Paint1（） 一系列函數負責剪切，即根據收到的消息，確定LCD需要重新繪制的區域。_Paint1（）→WM_SendMessage（） 將所有信息發到對應于BUTTON組件的_Paint函數，_Paint函數接收此信息，調用核心函數完成最后的繪制。

圖6是基于μC/GUI的LCD屏實時顯示的通道二采集到的心電信號，即I導聯信號。

3.3 SD卡功能模塊

SD卡的主要功能是記錄采集到的數據，以便做進一步的分析，包含讀SD卡和寫SD卡兩個功能。SD卡的讀/寫等操作是以命令形式來控制的，可根據命令對多塊或單塊進行讀/寫操作。

4 結論與展望

基于ADS1298芯片及STM32F407設計的心電采集及顯示系統體積小、采集速度快、數據精度高，完全可用于醫學研究和輔助診斷。

系統還可以在以下三個方面改進：一是針對采集到的數據，在單片機中添加算法，對數據進行分析，達到對心血管疾病自診斷的目的[9]。二是充分利用ADS1298芯片內置的起搏信號檢測功能和呼吸阻抗測量功能等，將系統的功能多樣化、全面化。三是可以擴展一個無線接口[10]，把采集的數據和處理的結果以無線的方式傳送到遠程接收端，通過無線采集方式，在醫院里可以很容易實現遠程動態存儲和實時監控。

參考文獻

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[10] 謝宏，董洋洋，姚楠，等.基于ADS1298與WiFi的腦電信號采集與傳輸系統設計[J].現代電子技術，2013，36（6）：150?153.